新疆三塘湖盆地低煤階煤層氣成因探討

吳 斌，周龍剛，潘新志，張耀選，杜世濤

(1.新疆維吾爾自治區(qū)煤田地質(zhì)局，新疆 烏魯木齊 830009；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司，天津 300457；3.新疆地質(zhì)勘查基金項(xiàng)目管理中心，新疆 烏魯木齊 830001)

0 引 言

中國低煤階煤層氣資源豐富[1-2]，近幾年在西北的準(zhǔn)噶爾盆地南緣、吐哈盆地，陜西彬長礦區(qū)，內(nèi)蒙的二連盆地、海拉爾盆地，東北的阜新劉家區(qū)塊、鐵法區(qū)塊等陸續(xù)開展了低煤階煤層氣勘探工作。其中，阜新劉家區(qū)塊、準(zhǔn)噶爾盆地南緣等地已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化開發(fā)。2015年，新疆煤田地質(zhì)局首次在三塘湖盆地施工了21口探井和生產(chǎn)試驗(yàn)井，生產(chǎn)試驗(yàn)井已完成排采工作。結(jié)果顯示，最高產(chǎn)氣量為317.0 m3/d，最高產(chǎn)水量為32.8 m3/d，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于根據(jù)該區(qū)塊煤層厚度、含氣量、滲透率計(jì)算得到的產(chǎn)氣潛力[4]，有待從源頭上理清該區(qū)塊煤層氣成因機(jī)制，并制訂區(qū)域性開發(fā)方案。為此，通過煤巖分析、含氣量測試、甲烷同位素化驗(yàn)等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，結(jié)合盆地煤及煤層氣成因模板及數(shù)值模擬，根據(jù)煤層氣地質(zhì)理論，從低煤階煤層氣成因角度，探討三塘湖盆地的煤層氣的成因，以期為該區(qū)塊進(jìn)一步科學(xué)高效開發(fā)提供參考。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

三塘湖盆地是新疆五大含煤盆地之一，夾持于中蒙邊界的阿爾泰山山脈的東北和天山山脈東段的西南逆沖推覆隆起帶之間，呈NW—SE向延伸，東西長為320 km，南北寬約為30 km，面積約為9×103km2。盆地形成于晚古生代之后，石炭世—晚二疊世盆地基底形成，侏羅世—早白堊世為盆地拗陷時(shí)期，持續(xù)接受沉積，尤其在早侏羅世時(shí)期，氣候溫暖潮濕，植被茂盛，為巨厚煤層的發(fā)育奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)[5]。盆地內(nèi)煤層主要賦存于下侏羅統(tǒng)八道灣組和中侏羅統(tǒng)西山窯組。

古近紀(jì)以來，受持續(xù)構(gòu)造運(yùn)動的影響，三塘湖盆地演化為東北沖斷隆起帶、中央坳陷帶、西南逆沖推覆帶3個(gè)一級構(gòu)造單元，煤層主要賦存于中央坳陷帶，主要包括漢水泉凹陷、石頭梅凸起、條湖凹陷、淖毛湖凹陷等二級構(gòu)造單元(圖1)。

圖1 三塘湖盆地構(gòu)造及研究區(qū)位置

2 煤層特征

2.1 煤巖及煤質(zhì)特征

研究區(qū)內(nèi)各煤層均以亮煤為主，含少量暗煤，宏觀煤巖類型主要為半亮—光亮型煤；顏色為灰黑色，黑褐色條痕，呈現(xiàn)瀝青—玻璃光澤；條帶狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，半堅(jiān)硬，斷口為貝殼狀、眼球狀，性脆，一般為原生結(jié)構(gòu)，存在于深大斷裂附近、盆地邊緣或凹陷—凸起過渡地帶。

勘探階段對埋深小于1 000 m的煤田部分鉆孔的煤樣進(jìn)行顯微組分測定實(shí)驗(yàn)(圖2)。由圖2可知：有機(jī)顯微組分均以鏡質(zhì)組為主，惰質(zhì)組次之，含少量殼質(zhì)組，顯微煤巖類型以微鏡煤、微鏡惰煤、微三合煤為主，鏡質(zhì)組含量大于50%以上的煤層中才含有殼質(zhì)組，顯示了成煤環(huán)境對煤巖組分的控制作用。

圖2 三塘湖盆地漢水泉凹陷鏡質(zhì)組含量與殼質(zhì)組含量關(guān)系

無機(jī)組分以黏土礦物為主(表1)。漢水泉凹陷煤巖Ro為0.28%～0.77%，平均為0.50%，以長焰煤、褐煤為主；條湖凹陷煤巖變質(zhì)程度稍高，Ro為0.49%～0.77%，平均為0.62%，以長焰煤為主；淖毛湖凹陷煤巖變質(zhì)程度最低，Ro為0.26%～0.50%，平均為0.34%，全部為褐煤。

圖3為三塘湖盆地煤層煤相圖版。由圖3可知：

表1 三塘湖盆地煤巖實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

注：分隔線上方為組分含量范圍，下方為組分含量平均值和樣品數(shù)量(括號內(nèi)數(shù)字)。

三塘湖盆地西山窯組和八道灣組的TPI(結(jié)構(gòu)保存指數(shù))分別為1.43～2.64、1.78～2.15，GI(凝膠化指數(shù))分別為1.45～1.59、1.57～1.84，育煤環(huán)境為濕地深林沼澤；西山窯組VI(植被指數(shù))分布范圍較寬，為1.23～2.60，八道灣組在1.50左右，顯示前者成煤植物類型較多，沼澤環(huán)境相對多樣化；GWI(地下水流動指數(shù))反映成煤期的地下水波動強(qiáng)度，2組煤的GWI值基本都大于1.0，水動力較穩(wěn)定。

工業(yè)分析實(shí)驗(yàn)顯示：研究區(qū)煤層空氣干燥基水分含量(Mad)一般小于5.00%(圖4a)，灰分產(chǎn)率(Ad)為3.12%～50.88%，一般小于25.00%，以特低—中灰煤為主(圖4b)；揮發(fā)分產(chǎn)率(Vdaf)一般為41.61%～56.92%，與煤巖變質(zhì)程度一致(圖4c)。煤巖密度與灰分產(chǎn)率呈正相關(guān)關(guān)系，主要受煤巖內(nèi)無機(jī)礦物含量的影響(圖4d)。

圖3 三塘湖盆地煤層煤相圖版

圖4 三塘湖盆地煤炭主要工業(yè)指標(biāo)頻率及物性與埋深關(guān)系

2.2 儲層物性

前人研究三塘湖盆地侏羅系煤層孔隙主要以大孔和過渡孔為主，大孔占孔隙總體積的13.00%～43.00%，微孔僅占2.00%～23.00%，且視孔隙度與平均孔徑呈正相關(guān)關(guān)系，與煤階呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，且減小的主要為大孔和中孔，小孔變化不明顯[6]。

建立了漢水泉、條湖和淖毛湖3個(gè)區(qū)塊120個(gè)巖心樣品與深度的關(guān)系(圖4e)。由圖4e可知：隨深度增加，視孔隙度呈逐漸減小的變化趨勢，整體視孔隙度較大，主要為7.00%～13.00%；區(qū)域上不同凹陷視孔隙度存在一定差異，漢水泉凹陷煤樣平均孔隙度為11.38%；條湖凹陷煤樣平均孔隙度為11.06%，且同一深度孔隙度變化較大；21口煤層氣探井和生產(chǎn)試驗(yàn)井平均孔隙度為7.61%；淖毛湖凹陷平均孔隙度為9.48%。

從4口井的巖心數(shù)據(jù)來看(表2)，煤層僅面割理較發(fā)育，端割理不發(fā)育，裂隙連通性較差，推測成煤后構(gòu)造運(yùn)動期次少、強(qiáng)度小，對煤層的改造程度較弱。

表2 三塘湖盆地煤巖宏觀裂隙描述

由三塘湖盆地煤層氣試井結(jié)果(表3)可知：孔隙較發(fā)育且連通性好，煤層滲透率較高，盆地模擬結(jié)果顯示研究區(qū)煤層埋深時(shí)間短，壓實(shí)作用弱,且低煤階一般含有大量具有滲流作用的大、中孔隙[7]，對滲流作用貢獻(xiàn)較大。

表3 三塘湖盆地煤層氣試井結(jié)果

3 煤層氣成因分析

3.1 中部及淺部煤層氣成因

從變質(zhì)程度上來看，三塘湖盆地漢水泉、條湖凹陷煤巖達(dá)到熱成因氣生烴門限，可能為熱成因氣與生物成因氣混合成因，條湖凹陷條15井測試甲烷碳同位素為-53.05‰～-52.63‰；淖毛湖凹陷煤巖變質(zhì)程度低，推測為生物成因氣[8]。

煤巖變質(zhì)程度較低階段生成的熱成因氣含有大量CO2等非烴類氣體(圖5a)，但研究區(qū)幾口探井測試均顯示氣體組分中CH4含量占主要部分，一般大于80%，從氣體組分特征來看，熱成因甲烷在中、淺部煤層中占比不高。研究區(qū)煤層氣探井X-1深達(dá)1 000 m，測試多套煤層含氣量基本均小于0.3 m3/t，推測其原因?yàn)椋旱貙右驑?gòu)造抬升后，地層溫壓平衡遭到破壞，煤層氣不斷逸散，熱成因的CO2也大量散失；另一方面，次生生物氣形成時(shí)可通過CO2還原方式消耗部分CO2，使CO2的含量降低。

漢水泉凹陷X-3井27—32號煤層的Ro為0.54%～0.62%，甲烷碳同位素值小于-66.00‰(表4)。按照煤層氣成因類型同位素的國際標(biāo)樣(VSMOW)劃分標(biāo)準(zhǔn)[9]，ε(CO2—CH4)(CO2與CH4碳同位素的差值，ε表示某元素的同位素的相關(guān)運(yùn)算，下同)以及氣體組分又有混合氣的特征，加之漢水泉、條湖凹陷煤層變質(zhì)程度已達(dá)到熱生烴門限，因此，判斷研究區(qū)中—淺部煤層氣應(yīng)該以生物成因氣為主，混合少量的熱成因氣，從生氣模式來看也基本脫離醋酸發(fā)酵方式，以CO2還原為主(圖5B)。

盆地模擬結(jié)果顯示，研究區(qū)地層經(jīng)歷了2次明顯沉降—抬升過程，且在第2次埋深過程中地層溫度接近90 ℃，而甲烷菌適宜的生存溫度一般不超過80℃[12]，通過新疆煤巖甲烷菌生存繁殖實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)超過55 ℃后本源的甲烷菌與發(fā)酵菌大量死亡[13]。因此，推測甲烷菌主要由后期地層抬升后，淺部地層水向煤系地層補(bǔ)給，重新帶入地層，營造了次生生物氣的生成條件(圖5c)。

3.2 深部煤層氣成因

研究區(qū)漢水泉、條湖凹陷深部，隨地層埋深增加，孔、滲逐漸降低，加之凹陷深部西山窯、八道灣期主要為濱淺湖、半深湖沉積[14]，地層巖性相對較細(xì)，隔水層發(fā)育，離盆地邊緣的地下水補(bǔ)給區(qū)也相對較遠(yuǎn)，補(bǔ)給困難，位于滯留區(qū)，水體難于更新，缺乏甲烷菌的生存、繁殖的營養(yǎng)物質(zhì)供應(yīng)，不符合次生生物成因氣生成條件。煤田鉆孔以及油氣探井塘參1井煤巖Ro隨埋深的變化數(shù)據(jù)(圖4f)顯示，研究區(qū)各凹陷內(nèi)煤層埋深增加400 m，變質(zhì)程度Ro可增加0.10%[15]。

根據(jù)構(gòu)造和埋深預(yù)測漢水泉、條湖凹陷深部煤巖Ro為0.80%左右。二維盆地模擬顯示，1 000 m以淺9號煤層生烴強(qiáng)度為18.6 m3/t，26～35號煤層的生烴強(qiáng)度平均為39.2 m3/t，隨著變質(zhì)程度升高，凹陷深部熱成因生烴量應(yīng)高于中、淺部，而凹陷深部埋深大、巖性細(xì)，可以限制煤層氣的逸散，對煤層氣的保存比較有利。綜上研究可知，漢水泉、條湖等凹陷深部不利于生物成因煤層氣的生成，主要為熱成因煤層氣(圖6)。

圖5 煤層氣成因判別及三塘湖盆地煤系地層地質(zhì)歷史埋深變化[10-11]

表4 X-3井碳同位素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

注：CDMI=ε(CO2)/ε(CO2+ CH4)。

3.3 特殊成因分析

從煤巖變質(zhì)程度上看淖毛湖凹陷未進(jìn)入熱成因氣生烴門限(Ro為0.26%～0.50%，平均為0.34%)。此外，其遠(yuǎn)離高山，地下水補(bǔ)給困難，地層水礦化度高達(dá)數(shù)萬毫克每升，不適宜甲烷菌的生存和大量繁殖，不利于生物成因氣的生成，而該區(qū)在背斜軸部實(shí)施的一口探井測試含氣量為4～10 m3/t。新疆三塘湖盆地進(jìn)入第四紀(jì)以來的環(huán)境研究顯示[16-18]：淖毛湖凹陷缺乏大陸型的冰川覆蓋，蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于降水量，造成該區(qū)域極度干旱，此階段水力封堵煤層氣藏較弱，且甲烷菌受到煤層水礦化度高、淺部煤層環(huán)境較為干燥，綜合條件不利于甲烷菌的大量繁殖。生氣能力有限，因而推測該區(qū)煤層氣藏應(yīng)該主要為早期生成的原生、次生生物氣殘留保存而成。該區(qū)八道灣組Ⅲ煤組沉積煤層多達(dá)20余層，地層也以封蓋性好的泥巖、粉砂巖為主，垂向上對煤層氣的逸散可起到“減速帶”作用，含氣量測試也顯示下部煤層含氣量高于上部，進(jìn)而形成這種比較少見的構(gòu)造-巖性控制的以殘留生物氣為主的煤層氣藏。

圖6 三塘湖盆地漢水泉凹陷西山窯組不同煤層氣成因分布圖

4 結(jié)論與建議

(1)三塘湖盆地淺部煤層變質(zhì)程度低，煤層氣成因以次生生物氣為主；深部地下水補(bǔ)給條件變差，煤巖變質(zhì)程度升高，地層封蓋性變好，主要以熱成因氣為主；淖毛湖凹陷地下水的補(bǔ)給條件相對差，主要為殘留生物成因氣氣藏，煤層氣開發(fā)的潛力較小。

(2)研究區(qū)中、淺部煤層氣的富集離不開次生生物氣的補(bǔ)充，次生生物氣的生成與地下水關(guān)系密切，三塘湖盆地各凹陷內(nèi)、不同凹陷之間煤層氣的富集受水文地質(zhì)條件的影響明顯，應(yīng)加強(qiáng)研究區(qū)地下水補(bǔ)、徑、排關(guān)系的研究。

(3)建議下一步開發(fā)中以漢水泉和條湖凹陷為主，淖毛湖凹陷應(yīng)選擇背斜軸部附近部井，以深部的八道灣組煤層為重點(diǎn)層位。